要来源基于因子分析法研究太原市土壤重金属污染的主

基于因子分析法研究太原市土壤重金属污染的主要来源 王雄军 1 赖健清1 鲁艳红2 李德胜3 周继华3 王建武3 1 中南大学地学与环境工程学院 湖南 长沙 410083 2 湖南省农业科学院 湖南 长沙 410120 3 山西地质调查院 山西 太原 030001 摘要 太原市土壤的研究还处于起步阶段 尚缺乏系统的研究和探讨 基于因子分析法分析研究太原市土壤重金属污染类型 及污染来源 在面积性土壤测量基础上 采用城市土壤单点样采集方法 通过测试获得了城市表层土壤中重金属元素 As Cd Hg Pb Cr Ni Zn Cu 的含量数据 应用统计数手段及处理软件 采用因子分析法对太原市土壤化探数 据进行详细分析研究 结合太原市工企分布情况 对比因子分析中的六个主因子 进行整理分析 研究结果充分反映出太 原市作为一个典型的重化工基地和燃煤城市的污染特点 表明太原市土壤重金属污染的主要来源有四个方面 即 工矿企 业污染源 燃煤污染源 交通污染源 商业活动和居民生活污染源等 关键词 因子分析 太原 重金属 污染 化探 中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1672 2175 2008 02 0671 06 太原盆地在 80 年代初开展的由农业部组织的 第二次全国土壤普查 工作的重点主要是对土壤 的母质 组成和结构调查分类 在地球化学方面 仅对土壤和作物有关的常量元素进行了分析 包 括 N P K 的全量和速效量 有机质和 pH 值等 而对土壤中其他营养元素和有毒有害元素未做系 统调查分析 由于城乡工业的飞速发展 土地用 途的大量变迁 各种元素含量与分布必然发生了 较大的变化 这些研究结果已不能满足当前的需 要 仅能作为本次环境地球化学调查工作的基础 和参考 太原市土壤重金属污染状况研究也有报道 郭翠花等 1 1995 年 对太原市地表土中 Cu Cd Cr Zn 和 Mn 五种元素的含量 分布规 律 污染程度 污染原因进行了研究分析 得出 Cu Cd Zn 三元素含量超过中国土壤背景值 Cd 污染最严重 污染面积达到 100 段永蕙 张乃 明等 2 1997 年 对太原市污灌区水质 土壤和 作物中 Hg Cd As 的污染状况研究表明 土壤 中 Hg 和 Cd 含量超过背景值 土壤和作物中三种 元素含量之间存在一定的相关性 时红 张永波 3 2001 年 通过对太原市酸雨污染状况及成因进 行分析 得出太原市今年酸雨频率增加 董茹地 区酸雨污染最为严重 与该地区工业废气排放有 关 国内外学者关于土壤重金属污染的大量研究 表明 铅 Pb 汞 Hg 锌 Zn 铬 Cr 镉 Cd 等在城市土壤中累积明显 其含量一般 都高于附近的农业土壤 这些重金属在土壤表面 的污染物会对土壤性质和植被等产生严重危害 更重要的是通过食物链和地下水 以及地面扬尘 等途径输入人体 并在人体中长期积累 引起各 种疾病症状 对人体健康产生危害 因此 在城 市化进程不断加快的今天 评价和研究城市土壤 重金属污染程度 研究城市土壤重金属污染特征 污染来源以及在环境中迁移 转化机理 并对城 市环境污染治理和城市进一步的发展规划提出科 学建议 不仅有利于城市生态环境良性发展 有 利于人类与自然和谐 也有利于人类社会健康和 城市可持续发展 4 8 本次研究采用多元统计数学方法之一的因子 分析 它根据多个实测变量之间的相互关系 运 用数学变换 将多个变量转变为少数几个线性不 相关的综合指标 从而简化数据处理 其目的在 于对大量观测数据 用较少的有代表性的因子来 说明众多变量所提取的主要信息 提示出多个变 量间的因果关系 它最先在心理学和社会科学领 域得到应用 从 20 世纪 60 年代开始因子分析在 环境科学领域得到广泛应用 并取得较好的效果 由于线性综合指标往往是不能直接观测到 但它 更能反应事物的本质 因此因子分析在成因 来 源问题研究上是一种非常有效的数学方法 可以 用它解决很多环境问题 例如 污染来源的判别 环境样品的分类 监测点的优化及污染物组分的 测定 9 14 利用因子分析对太原市土壤重金属污染 评价尚未见报道 评价和研究太原市土壤重金属 污染程度 污染来源并提出针对性的防治措施 对太原市的重金属污染治理和进一步的城市规划 具有参考价值和一定的现实意义 1 数据来源与研究方法 1 1 数据来源 本研究的野外工作方法主要采用城市土壤单 点样采集 主要是在面积性土壤测量基础上 采 集城市研究区第 环境地球化学土壤样品 以进 一步获取城市表层土壤中重金属 As Cd Hg Pb Cr Ni Zn Cu 和放射 性元素 U Th 的含量数据 为城市生态地球 化学评价提供地球化学依据 野外采样工作标准按原地矿部 DZ T0167 95 区域地球化学勘查规范 和 DZ T0144 04 94 土壤地球化学测量规范 执行 并参照其它 省 队工作经验 1 1 1 样品加工 样品完全干燥后过 20 目尼龙筛 样品倒入筛 中时 盖严顶盖和底坐 合缝要严 不飞灰尘为 准 估计筛够 500 g 后停留数秒再打开盖 以减少 灰尘飞扬 之后将样品倒在干净的样布装入瓶中 然后将样布和样筛用毛刷刷干净后 才能加工下 一个样品 防止样品交差污染 样品倒入瓶中时 要将袋号和瓶号核对一次 样瓶和空样袋均按顺 序摆放 装箱前再核对一次 样瓶在箱中的排放 顺序要与采样点位顺序一致 1 1 2 分析指标 城市土壤单点样品主要分析了 Cd Hg As Cu Pb Cr Zn Ni 等重金属指 标 具体分析测试工作由江苏省地调院测试研究 所实验室完成 1 1 3 分析方法和精度 对各测试指标的分析 基本上选取规定中推 荐的方法和相应的精度要求 充分了解相关专业 所执行的国家标准或行业标准 保证分析结果与 相关领域接轨 但无论采取何种方法 检出限 精密度 准确度必须符合规范要求 1 2 研究方法 因子分析从变量的相关矩阵出发将一个 m 维 的随机向量 X 分解成低于 m 个且有代表性的公因 子和一个特殊的 m 维向量 使其公因子数取得最 佳的个数 从而使对 m 维随机向量的研究转化成 对较少个数的公因子的研究 设有 n 个样本 n 个指标构成样本空间 X X xij i 1 2 n j 1 2 m 因子分析过程一般经过以下步骤 1 原始数据的标准化 标准化的公式为 X ij Xij Xj j 其中 Xij 为第 i 个样本的第 j 个 指标值 而 Xj 和 j 分别为 j 指标的均值和标准差 标准化的目的在于消除不同变量的量纲的影响 而且标准化转化不会改变变量的相关系数 2 计算标准化数据的相关系数阵 求出相 关系数矩阵的特征值和特征向量 3 进行正交变换 使用方差最大法 其目 的是使因子载荷两极分化 而且旋转后的因子仍 然正交 4 确定因子个数 计算因子得分 进行统 计分析 因子分析只强调变量的离差 变化量 而不 强调变量在样品中的比重 百分含量 因子分析 的数学模型中 通过正交的方差最大旋转法使每 一个主因子只与最少个数的变量有相关关系 而 使足够多的因子负荷均很小 变量或因子的重要 程度都是以其方差大小来衡量的 因子旋转后每 个变量因子负荷代表着在系统中作用或重要性程 度 以各个变量目标因子载荷平方与因子方差贡 献率乘积作为变量的权重 构成一个判别污染来 源的综合指标 而且因子分析是一个客观计算同 主观思维相结合的过程 其它多元统计分析 如 判别分析 回归分析 的计算结果基本上是一个 最终结果 可以直接予以应用 但因子分析的计 算结果 因子解 只能看作是一个中间结果 剩 下的部分要求人们用自己的思维来完成 这就涉 及环境地球化学知识 经验 甚至于思维方式和 哲学思想 2 结果与讨论 2 1 结果分析 太原市土壤单点样重金属元素含量的数据特 征完全符合因子分析的要求 在这里以 Hg Cd Pb As Cu Cr Ni Zn 八种重金属 元素指标作因子分析 这样在解释各指标变化异 常时可以着重讨论综合指标因子 同时为太原市 重金属污染成因的解释提供一定的理论依据 以 下对太原市土壤单点样重金属元素含量的数据标 准化处理后 经 SPSS11 0 统计软件进行因子分析 可得出以下结果 首先给出太原市表层土壤 Hg Cd Pb As Cu Cr Ni Zn 八种重金属 原始含量数据的相关系数矩阵 如表 1 所示 可见 As 和 Ni 的相关性最好 相关系数最大 为 0 692 其次为 Pb 和 Cd 相关系数为 0 625 以下依次是 Pb 和 Cu Cd 和 Cu 的相关性较好 相关系数分别为 0 551 和 0 502 Pb 和 Hg 的相关 系数为 0 459 其它元素之间的相关性并不是很好 从成因上来分析 相关性较好的元素可能在成因 和来源上有一定的关联 因子分析的关键就是利用相关系数矩阵求出 相应的因子的特征值和累计贡献率 用 SPSS11 0 统计软件计算可得出 见表 2 在累积方差为 93 117 90 的前提下 分析得到 6 个主因子 可以看到 6 个主因子提供 了源资料的 93 117 的信息 满足因子分析的原 则 而且从上表可以看出旋转前后总的累计贡献 率没有发生变化 即总的信息量没有损失 从表 5 2 还可得出 旋转之后 主因子 1 和主因子 2 的方差贡献率均为 20 左右 主因子 3 到主因子 6 的方差贡献率的范围为 11 635 到 13 625 之间 这可以解释为因子 1 和因子 2 可能为太原市土壤 重金属污染的最重要的污染源 对太原市重金属 污染的贡献最大 因子 3 因子 4 因子 5 因子 6 对太原市重金属污染有重要作用 表 2 特征值和累计贡献率 Table 2 characterristic value and accumulative contribution 旋转前旋转后 因子 总的特征值占总变量的百分率 累计贡献率 总的特征值占总变量的百分率 累计贡献率 F13 10338 79338 7931 66520 81020 810 F21 57519 68258 4751 71021 37742 187 F31 02112 76971 2431 09013 62555 812 F40 7669 57080 8131 05813 22769 039 F50 5376 70987 5220 99512 34381 482 F60 4485 59593 1170 93111 63593 117 表 3 旋转前因子载荷矩阵 Table 3 factor loading matrix before rotation 指标F1F2F3F4F5F6 Hg0 578 0 419 0 2480 4460 425 0 156 Cd0 713 0 2960 087 0 4520 0200 260 Pb0 811 0 2240 006 0 1900 1730 173 As0 4360 736 0 3810 0920 1030 190 Cu0 7770 097 0 041 0 283 0 154 0 522 Zn0 631 0 359 0 0660 420 0 5230 130 Ni0 5580 7460 0600 116 0 0590 012 Cr0 3160 1560 8930 2190 117 0 004 表 4 方差极大正交旋转后因子载荷矩阵 Table 4 factor loading matrix after orthogonal rotation of maximum variance 指标F1F2F3F4F5F6 Hg0 2110 0130 0010 936 0 215 0 096 Cd0 9040 0040 0560 044 0 145 0 183 Pb0 7760 1570 1020 324 0 164 0 186 As0 0730 951 0 1240 0720 023 0 035 Cu0 3560 2400 0540 125 0 135 0 878 Zn0 2370 0360 0470 228 0 934 0 117 Ni0 0580 8470 299 0 052 0 090 0 258 Cr0 1000 0600 9830 009 0 039 0 041 因子分析的主要目的是将具有相近的因子荷 载的各个变量置于一个公因子之下 正交方差最 大旋转使每一个主因子只与最少个数的变量有相 关关系 而使足够多的因子负荷均很小 以便对 因子的意义作出更合理的解释 输出结果见表 3 和表 4 由表 3 和表 4 可见 旋转前后因子荷载的变 量结果基本一致 变量与某一个因子的联系系数 绝对值 载荷 越大 则该因子与变量关系越近 正交因子解说明 因子 1 为 Cd 和 Pb 的组合 因 子 2 为 As 和 Ni 的组合 因子 3 为 Cr 因子 4 为 Hg 因子 5 为 Zn 因子 6 为 Cu Cd 和 Pb As 和 Ni 可能是同一个来源 而且这两组元素正是相 关性最好的两组元素 为了更好的进行分析 评价 利用因子分析 所得到的 6 个因子经过方差极大正交旋转后的太 原市表层土壤单点样样本在六个主因子上的得分 可作出各个因子在空间分布的等直线图 能更直 观地说明各个元素在空间平面上的分布特征 见 图 1 2 2 讨论 结合太原市工矿企业分布情况和主因子在平 面空间的等值线分布图可以得出以下结论 从因子 1 图可以看出 Cd 和 Pb 在来源上关 联较密切 在空间分布上近似可认为是一个带状 的污染源 呈带状分布 这主要因为 Pb 主要来自 市中心交通源汽车尾气的排放 尤其是在迎泽区 这一片 该处交通发达 太原市大部分一级市内 交通线都在该区而且在研究区的东南部有三个明 显的富集中心 靠北的两个中心把这一片连成一 个区 形成一个高值区 对照太原市地图这三个 中心的位置分别位于 1 太原橡胶厂 2 太原线 织印染厂 3 山西针织厂和山西毛纺厂 根据文 献 城市中的铅主要来源的厂矿企业部门为颜料 厂 冶炼等工业的废水 橡胶和农药厂 而镉主 要来源于颜料行业和石油化工厂 可以得出一个 基本结论 市内交通尾气的排放和汽车轮胎的磨 损是太原市土壤铅污染的基本来源 太原市表层 土壤中的 Cd 含量市中心地带比西北城区高 东南 城区又比市中心地带高 恰好与当地的主风向相 一致 表明大气中含 Cd 污染物的干湿沉降也是造 成太原市土壤 Cd 污染的一个重要原因 而位于太 原市东南的太原橡胶厂 太原线织印染厂 山西 毛纺厂也是 Pb 和 Cd 局部高度富集的重要原因 因子 2 为元素 As 和 Ni 的组合 从因子 2 图 可以得出以下结论 太原市表层土壤 As 和 Ni 基 本未污染 只有个别点富集程度较高 污染达到 中度污染 该富集中心的位置也在太原印染厂附 近 主要来源于印染厂的废水排放 因子 3 为元素 Cr Cr 的污染源属于面积型的 分布在太原市区建成区的北部 这一区是太原市 的最大的工业区 该区有太原钢铁厂 太钢污水 处理厂 新华化工厂 东安化工厂 山西化工厂 太原工具厂等厂矿企业大面积分布 虽然目前太 原市土壤 Cr 污染并不十分严重 但如果不在这些 源头上加以控制 Cr 的污染就会很快在程度上和 范围上进一步加深和扩大 由于太原市特殊的工 业布局 这些大型的重污染的企业位于太原城区 表 1 变量相关矩阵 Table 1 variable correlation matrix 指标HgCdPbAsCuZnNiCr Hg10 3340 4590 0800 3010 4720 0490 037 Cd0 33410 6250 0610 5020 3770 1700 156 Pb0 4590 62510 2140 5510 4500 2250 201 As0 0800 0610 21410 3080 0550 692 0 023 Cu0 3010 5020 5510 30810 3560 4430 158 Zn0 4720 3770 4500 0550 35610 1470 120 Ni0 0490 1700 2250 6920 4430 14710 323 Cr0 0370 1560 201 0 0230 1580 1200 3231 图 1 主因子在平面空间的等值线分布图 Fig 1 isoline scatter diagram of host fractor on plane 196300001963500019640000 4185000 4190000 4195000 4200000 4205000 4210000 4215000 因子1 196300001963500019640000 因子2 196300001963500019640000 因子3 196300001963500019640000 因子5 196300001963500019640000 因子6 196300001963500019640000 因子4 的北部 太原市常年尤其是冬季盛行西北风 同 时由于太原市独特的地理地形特点 污染物有向 南迁移的特点 这些必需引起有关部门的足够重 视 因子 4 为元素 Hg Hg 是太原市污染最严重 的重金属元素之一 这在我国城市中非常常见 尤其是在我国北方城市中表现得尤其突出 其中 一个最大的原因是燃煤污染 从因子 4 图中可出 汞污染也属于面积型污染 几乎在太原市主城区 的绝大部分面积的土壤中都存在一定程度的汞污 染 尤其是市中心地带和东南城区最为严重 与 全年主风向相一致 下风向高于上风向 而且大 致以汾河为界 可以大致三 四个污染区 太原 市地表土 Hg 污染的一个主要原因是由于燃煤造成 的 无论是工业用煤还是居民用煤 而且燃烧方 式落后 燃煤是太原市最主要的能耗方式 太原 市 Hg 污染在以前的研究中就有所报道 有关部门 也为 Hg 污染的治理做过许多工作 从图中的分布 可以看出 Hg 污染除了燃煤来源外 工业排放也 是太原市表层土壤 Hg 污染的另一个重要来源 在 大面积污染的几个浓集中心分别位于 1 太原市 建筑材料厂 太原涂料厂 七一机械厂 2 太原 橡胶厂 太原印染厂 3 太原机械厂 纺织印染 厂 太原化工厂 Hg 污染除了跟这些厂矿企业的 高耗能有关 工业三废的排放也是 Hg 污染的重要 来源 另外 Hg 污染与汽车尾气的排放也有很大 关系 燃煤特别是供暖燃煤是造成太原市大气污 染的主要原因之一 除化工厂释放的汞造成局部 区域土壤汞含量很高外 而大部分区域可能还是 冬季取暖燃煤造成的表层土壤汞含量升高 民用 采暖燃煤温度较低 排放烟筒较低 经干湿沉降 汞随烟尘颗粒物主要在附近沉降 大气中含 Hg 污染物的干湿沉降是造成太原市土壤 Hg 污染的主 要原因 太原市的土壤污染 Hg 程度较重 加之土 壤污 Hg 染具有较强的累积性 应加以控制 因子 5 为元素 Zn Zn 在太原市土壤中污染并 不算严重 有局部地区富集的情况 主要也是由 于厂矿企业的三废排放的原因 因子 6 为元素 Cu 高含量 Cu 主要集中在太 原市南部和东南部 为局部面积型污染 主要来 源于化工行业 塑料 橡胶和印染行业的三废排 放 以及城市商业活动 城市居民生活累加到土 壤中的 Cu 以及交通来源 3 结论 用因子分析法对太原市土壤重金属污染类型 及污染来源进行分析研究 表明太原市表层土壤 中镉 Cd 汞 Hg 铅 Pb 铬 Cr 砷 As 铜 Cu 锌 Zn 镍 Ni 等八种重金 属元素污染分布特征为 在空间分布上表现为 交通干线两侧 人类 活动密集的闹市区 广场 老工业区 居民区污 染较为严重 而公园 风景区等受人为活动影响 较少的功能区 含量较低 污染较轻 城区高于 郊区 南郊高于北郊和西南 东南方向高于西北 和东北方向 这与太原市独特的地形地貌 气候 条件 以及太原市工业布局有关 在时间分布上表现为 随着城市化的飞速发 展 太原市表层土壤重金属元素含量不断增加 污染不断加剧的趋势 综合分析可知太原市土壤重金属污染的主要 来源有四个方面 即 工矿企业污染源 燃煤污 染源 交通污染源 商业活动和居民生活污染源 等 参考文献 1 郭翠花 黄淑萍 原洪波 等 太原市地表土中五种重金属元素的 污染监测及评价 J 山西大学学报 自然科学报 1995 18 2 222 226 Guo Chuihua Huang Shuping Yuan Hongbo et al Monitoring and evaluation of heavy metal pollution state in surface layer soil of Taiyuan city J Journal of Shanxi University Natural Science Edition 1995 18 2 222 226 2 段永蕙 张乃明 许桂兰 太原市污灌区重金属污染现状评价 J 山西师大学报 自然科学报 1997 11 1 60 63 Duan Yonghui Zhang Naiming Xu Guilan Present situation evaluation of the heavey metal pollution in sewage irrigation area of Taiyuan J Journal of Shanxi teacher s University Natural Science Edition 1997 11 1 60 63 3 时红 张永波 太原市酸雨成因及防治对策 J 太原理工大学学报 2001 32 3 305 307 Shi Hong Zhang Yongbo Causes and countermeasures of acid rain in Taiyuan J Journal of Taiyuan University of Technolagy 2001 32 3 305 307 4 Kim K W Myung J H Ahn J S et al Heavy metal contamination in dusts and stream sediment in the Taejon area J Korea J Geochemical Exploration 1998 64 409 419 5 Tong S T Y Kin C L Home sweet home A case study of household dustcontamination in Hong Kong J Sci Total Environ 2000 256 115 123 6 Xiangdong Li Heavy metal contamination of urban soils and street dusts in Hong Kong J Applied Geochemistry 2001 16 1361 1368 7 Imperato M Adamo P Spatial distribution of heavy metals in urban soils of Naples city Italy J Environmental Pollution 2003 124 247 256 8 Abrahams P W Soils their implications to human health J The Science of Total Environment 2002 291 1 32 9 邓朝生 尚金城 陈鹏 我国环境污染的因子分析 J 内蒙古环境 保护 2003 15 3 5 8 Deng Chaosheng Shang Jincheng Chen Peng Facter analysis of environmental pollution in China J Inner 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